基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法

摘要

本发明公开了一种基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，基于相同组分及比例的相似材料在相同成型参数下制成的相似材料密度相同，根据待制非标准试件高度计算其体积，进而得到一定高度的待制非标准试件所需相似材料的质量，将称取好的一定质量的相似材料填入成型模具并设定成型参数，最后进行试件脱模、养护，完成非标准煤或非标准岩石试件的制作。本发明简便、快捷，克服了试件难以切割以及切割过程中由于破损导致的成型率低甚至难以制成所需尺寸试件的缺点，可一次性完成任意尺寸试件的制作，试件成型率、精度均得到保证，具有较广泛的推广意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤岩试件制作方法，尤其涉及一种基于相似材料的非标准煤或非标准岩 石试件制作方法，属于类岩石材料制备技术领域。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位。然而， 煤炭资源作为一种非可再生能源，其在我国地域分布不均以及地区需求不均使得我国的煤炭 资源面临的形式也极为严峻，为满足对煤炭资源高强度需求，我国的东部矿井不得不转向深 部开采且开采深度逐年增加，近年来这种趋势愈加明显。随着煤矿向深部开采，受高温、高 地压、高岩溶水以及瓦斯影响愈加显著，一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特 征，又有冲击地压的部分特征，两种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合。然而，冲击、 突出两种灾害复合、影响的程度到底如何，如何系统研究、分析量化他们之间的关系，目前 的研究鲜有报道。单纯煤、岩研究已不能为类似工程灾害进行有效指导，将煤、岩看成一个 整体的系统(小尺度上将非标准煤、岩试件按照一定比例组合制成标准试件进行分析研究， 大尺度上配制相似材料开展大型相似模拟实验进行系统研究)进行研究已成为分析煤矿复合 动力灾害的有效方法和合理手段。

然而，煤、岩尤其是煤由于节理裂隙高度发育造成试件难以加工成型，强度差异性较大， 因此选用天然煤、岩试件不能准确的为煤、岩系统的量化研究提供可靠、有效保证。而基于 相似材料制作的煤或岩石试件可较好的克服这一难题。但目前基于相似材料制作试件通常是 标准试件，往往是将相似材料填满模具压制即可得到，考虑到不同组分及比例的材料压实率 及压溃力均不同，进而导致利用这种制作方法制成的试件尺寸与标准件尺寸偏差较大，且对 于非标准煤或非标准岩石试件制作更是没有一个合理、有效的参照。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作 方法，基于相同组分及比例的相似材料在相同成型参数下制成的相似材料密度相同，根据待 制作试件高度计算得到待制作试件的质量，称取该质量的相似材料填入模具并设定成型参数， 最后进行试件脱模、养护即可完成非标准煤或非标准岩石试件的制作。为实现上述目的，采 用如下技术方案：

基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，包含以下步骤：

(a)确定用于制作煤或岩石相似材料的组分及各组分的比例；

(b)根据步骤(a)将确定的一定组分及比例的相似材料混合并搅拌均匀，称取质量为m₁的相似材料填入成型模具并设定成型参数；

(c)试件脱模并测量质量为m₁的相似材料的成型试件高度h₁，计算成型试件的密度ρ；

(d)根据研究需要制作高度为h₂的试件，称取质量为m₂的相似材料填入成型模具并压>

(e)试件脱模、养护，制作完成。

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，步骤(b)中 所述成型参数包括加载方式、加载速度、成型压力、保压时间。

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，步骤(b)中 所述成型参数与步骤(d)中所述成型参数相同。

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，步骤(b)中 所述成型模具与步骤(d)中所述成型模具的形状相同，都为半径为r，高度为h₃的圆柱形结>3＞h₁且h₃＞h₂。

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，所述步骤(b) 和步骤(c)中质量为m₁的相似材料与所述步骤(d)中质量为m₂的相似材料的组分及各组分>

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，步骤(c)中 所述成型试件的密度ρ为：ρ＝m₁/(πr²h₁)。

进一步，基于相似材料的非标准煤或非标准岩石试件制作方法，其特征是，所述步骤(d) 中m₂满足m₂＝ρπr²h₂＝m₁h₂/h₁。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明简便、快捷，克服了试件难以切割以及切割过程中由于破损导致的成型率低甚 至难以制成所需尺寸试件的缺点，可一次性完成任意尺寸试件的制作，试件成型率、精度均 得到保证。

2.配置的相似材料在满足相似性的前提下，均一性、均质度均较好，能够满足强度的统 一，克服了煤、岩尤其是煤由于节理裂隙高度发育造成的试件难以加工成型，强度差异性较 大的难题，为对煤、岩进行系统的量化研究提供了可靠、有效保证。

3.利用本发明方法制成的非标准煤或非标准岩石试件行系统的量化研究，可为后期的大 型相似模拟实验提供必备的基础参数，而且对于冲击地压-煤与瓦斯突出等煤矿复合动力灾害 的防治也具有积极意义。

具体实施方式

为充分体现本发明的特征与优点，下面将结合具体实施例予以详细叙述。

现场选取大块原煤，运回实验室钻取试件，钻取过程中，由于原煤中节理、裂隙发育， 煤质相对松软，发现试件成型率较低，完整性较差，对制取的原煤试件进行力学性质测试， 统计得到：原煤单轴抗压强度大致分布在11-15MPa左右，原煤试件之间强度差异较大，离 散性较高。顶板(粗砂岩)均质度较好，离散性较小，强度较为统一近似为35MPa，因此， 本次实验仅考虑配制煤的相似材料。(本实施方式仅以煤岩高度比为1:1(煤、岩高度均为50 mm)进行阐述，其他煤岩高度比相似材料制作与本实施方式类似，在此不再赘述。)具体步 骤如下：

(a)为量化研究煤、岩之间的能量关系，选取40-60目和60-80目两种粒径的粉煤作为 骨料，以40-60目细河沙为辅料，按一定比例添加黏结剂、活性炭和水分配制相似材料，要 求达到单轴抗压强度、弹性模量及吸附、解吸特性与原煤相似，其中粘结剂选用标号为R425 的早强水泥。配比方案如下：煤粉:水泥:细河沙:活性炭:水＝8:1.5:0.5:0.1:1；

(b)将上述各组分材料按照配比混合搅拌并称取一定质量为m₁(200g)的相似材料，>3(180mm)的圆柱形套筒，在TAW-2000试验机上对其压>

(c)试件压制结束，脱模并测量试件高度h₁(7.55cm)，计算试件密度ρ(1.35g·cm-³)，>1/(πr²h₁)；

(d)制作高度为h₂(5cm)的试件，称取质量m₂(132.5g)的相似材料填入成型模具>2＝ρπr²h₂＝m₁h₂/h₁；

(e)试件脱模、养护，制作完成。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属 领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性 劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。